石窟寺數字化工程數據管理系統設計與實現

位再成，胡云崗，侯妙樂

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京　100044)

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石窟寺數字化工程數據管理系統設計與實現

位再成*，胡云崗，侯妙樂

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京100044)

摘要：石窟寺數字化工程中獲取了大量的數據，包括：點云數據、三維模型、紋理數據以及各種圖件等。針對這些數據的管理，本文提出基于文件與數據庫的混合管理方法，設計并實現了具有普適性的石窟寺數字化工程數據管理系統。該系統目前已經應用在寶頂山大佛灣石刻數字化工程中。實踐結果表明，采用文件與數據庫混合管理方法可以有效地管理石窟寺數字化工程數據，同時，系統的應用能夠提高數據的查詢和使用效率。

關鍵詞：石窟寺；三維激光掃描技術；數據管理

1引言

敦煌莫高窟、云岡石窟等我國具有代表性的石窟寺具有極高的歷史、藝術和科學價值。然而受到自然以及人為因素影響，石窟寺中的壁畫、雕塑等文物不可避免地會產生許多病害，如風化、霉變、開裂等[1]。文物保護部門提出可以通過數字化的方式來更好地保護這些文物[2]。

隨著測繪技術的不斷發展，三維激光掃描技術為石窟寺的數字化提供了有力的技術支撐。與傳統測量手段相比，三維激光掃描技術在獲取空間數據方面具有非接觸性、無損性、高精度、高效率以及全天候作業等諸多優勢[3]。通過三維激光掃描儀獲取文物的點云數據與紋理數據，構建逼真且可量測的三維模型，這對于文物的保護、修復及研究具有重要意義。目前，這項技術已經在大足千手觀音、敦煌莫高窟、龍門石窟等許多石窟寺數字化工程中得到成功運用[4，5，6]。

但是，三維激光掃描儀的高精度高分辨率的數據采集方式使得獲取的點云數據的數據量非常大，再加上數據處理后生成的三維模型等數據，可以說數字化工程的數據是海量的。如何對這些數據進行有效管理，是目前需要解決的問題。

2數字化工程數據管理總體思路

2.1數據內容

石窟寺數字化工程數據是海量的，數據量通常以TB甚至PB為單位。通過對數據的分析，包括數據的來源、用戶以及重要性等方面，將數字化工程中需要管理的數據進行分類，如表1所示。

2.2總體思路

對于數據的管理目前通常采用文件管理方法或數據庫管理方法。文件管理方法是指將數據直接存儲在磁盤中，通過維護目錄樹結構的方式來管理數據。這種方法完全依賴于文件系統，在管理海量數據時會暴露出如數據可信度降低、數據間關聯難以體現、數據查詢耗時嚴重等問題[7]。數據庫管理方法隨著數據庫技術的不斷完善而興起，它要求數據需要存儲到數據庫中，通過專業的數據管理系統進行數據管理。然而，這種方法在管理海量石窟寺數字化工程數據時，尚有不少困難需要解決。首先，為了實現空間數據的存儲，數據庫中通常會加入所謂的暗盒、數據刀片等附件，如Oracle數據的Oracle Spatial接口、DB2數據庫的空間數據存儲模塊Spatial Extender等，這些附件在結構上較為復雜，運行效率也不高[8]。其次，點云數據的眾多數據格式中只有.ptx、.xyz等一小部分是公開的，可以直接存儲其內部信息，而對于那些非公開的數據格式，人們對數據的內部信息并不可知，雖然可以通過二進制大對象(BLOB)的方式進行存儲，但讀寫效率較低[9]。最后，TB級甚至PB級數據量的數據存儲在數據庫中，大大延長數據庫操作的響應時間，直接降低了數據庫的性能和效率。

基于以上分析，本文在管理石窟寺數字化工程數據上的總體思路是采用文件與數據庫混合管理方法，將數據以文件的形式存儲在磁盤中，提取出其元數據存儲于數據庫中，可以通過石窟寺數字化工程數據管理系統來管理元數據進而達到管理磁盤中數據的目的。這種管理方法有以下優勢：第一，各大計算機操作系統在其文件系統方面都運用了大量的技術和資源，比如Windows操作系統的NTFS，這足可以保證數據的存儲效率；第二，數據庫中只存儲元數據，使得數據庫表的容量較小，可以提高數據庫的訪問效率；第三，元數據可以作為查詢數據的條件，增強了數據的可信度。

3數據目錄樹結構建立

文件與數據庫混合管理方法需要解決的主要問題是文件系統與數據庫系統的一致性問題，也就是數據表中的數據與磁盤中的文件是否能夠相互匹配。針對這一問題，本文首先通過對元數據的分析，將數據進行組織，然后建立起適合于存儲石窟寺數字化工程數據的目錄樹結構，最后將這一目錄樹結構轉換為數據表，通過數據庫對目錄樹結構進行實時維護。

3.1元數據

元數據是關于數據的數據，是對石窟寺數字化工程數據的描述。通用的元數據有數據名、數據位置、數據類型、數據格式等，對于表1中每一類數據，除了通用元數據，它們還有各自的元數據。表2和表3分別列出原始點云數據和紋理數據的部分元數據。

3.2目錄樹結構

在對計算機中的文件進行分類時，人們通常根據描述文件的某個重要字段將文件有序地組織起來。在組織石窟寺數字化工程數據時，也可以借鑒這種方法。通過對每類數據的元數據進行分析，選擇出了每類數據的元數據中一個比較重要的字段，如表4所示。表中的時間是指原始點云數據的采集時間，文物是指數據對應的文物名稱。

根據數據的組織結果，可以建立如圖1所示的目錄樹結構。

3.3目錄樹結構轉化為數據表

為了保證文件系統與數據庫系統的一致性，需要通過數據庫來控制目錄樹結構，因此，圖1所示的目錄樹結構可以轉化為表5所示的數據表，假設數據采集n天，對應文物有m個。

4數據庫設計

4.1概念模型設計

概念模型的用途是建立信息世界的模型，它是現實世界到信息世界的第一次概括，也是數據庫設計者與用戶之間溝通的語言[10]。實體-聯系方法(Entity-Relationship Approach)是概念模型眾多表示方法中較為常用的一種，它通過E-R圖來描述，把現實世界的信息結構轉化為實體、實體間聯系以及它們的屬性[11]。如圖2所示。

4.2邏輯模型設計

邏輯模型直接面向數據庫，是現實世界的第二層次概括。關系模型是邏輯模型中的一種，它的建立是根據關系代數、笛卡爾積等一系列嚴格的數學概念[10]。通過E-R圖可以轉化為關系模型圖，如圖3所示。

圖2E-R圖

5系統設計與實現

根據目錄樹結構以及設計完成的數據，開發了石窟寺數字化工程數據管理系統，并應用于寶頂山大佛灣石刻數字化工程中。

5.1開發環境與工具

系統為Windows應用程序，能夠在操作系統為Windows XP及以上版本的計算機上運行。系統開發環境如表6所示。

5.2系統功能設計

系統主要包含四個功能模塊，分別是用戶管理模塊、工程管理模塊、數據管理模塊以及數據查詢模塊。

(1)用戶管理模塊的作用是管理允許登錄到系統中的所有用戶的信息，主要功能包括添加用戶、刪除用戶等。出于對系統安全性的考慮，將系統中的敏感信息進行了DES加密，如用戶密碼等。

(2)工程管理模塊的主要功能是工程新建和工程維護。工程新建功能允許用戶根據數字化工程的具體情況來建立目錄樹結構以及數據庫，工程維護功能可以使用戶對已經存在的目錄樹結構以及數據庫進行修改或刪除。

(3)數據管理模塊是系統的核心模塊，提供元數據的錄入、修改和刪除功能。

(4)數據查詢模塊是系統的主要業務模塊，主要提供數據查詢功能，通過對數據庫中元數據的查詢，可以精確找到磁盤中對應的源數據。

5.3應用于寶頂山大佛灣石刻數字化工程

寶頂山大佛灣石刻，位于重慶市大足區龍崗街道東北 15 km處，始鑿于南宋。在其數字化工程中，僅原始點云數據和紋理數據的文件總數就多達數萬個，數據量約 2.2 TB。采用文件管理方法或數據庫管理方法都難以進行數據管理。在應用本系統之后，根據寶頂山大佛灣石刻數字化工程的具體情況，通過工程新建功能建立了寶頂山大佛灣石刻數字化工程數據目錄樹結構以及數據庫，有效地對數據進行組織。在查詢數據時，系統根據數據庫中存儲的元數據可以提供豐富的查詢條件(如圖4所示)，提高了數據的查詢效率。

6結語

針對石窟寺數字化工程中的數據管理，在對數字化工程數據總結歸納后，通過分析數據管理的現狀，提出采用文件與數據庫混合管理方法進行數據管理，主要成果如下：

(1)總結了數字化工程數據的元數據，通過對數據進行組織，建立了適合于存儲石窟寺數字化工程數據的目錄樹結構；

(2)對數據之間的聯系進行整理，設計了數據庫概念模型和邏輯模型；

(3)設計并實現石窟寺數字化工程數據管理系統，用圖形化的形式給用戶提供了直觀的操作界面。

系統開發完成之后，在寶頂山大佛灣石刻數字化工程中得到了初步應用，應用結果表明采用文件與數據庫混合管理方法能夠使數字化工程數據得到有效管理，石窟寺數字化工程數據管理系統的使用可以在一定程度上提高數據查詢和使用效率。

參考文獻

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[3]張會霞，朱文博. 三維激光掃描數據處理理論及應用[M]. 北京：電子工業出版社，2014.

[4]胡云崗，陶濤，吳育華等. 大足石刻千手觀音造像三維展示系統設計與實現[J]. 文物保護與考古科學，2015(S1)：71～76.

[5]劉剛，張俊，刁常宇. 敦煌莫高窟石窟三維數字化技術研究[J]. 敦煌研究，2005(4)：104～109.

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[9]楊勇. 數據庫系統中BLOB對象的管理[J]. 微電子學與計算機，2006(7)：147～149.

[10]王珊，薩師煊. 數據庫系統概論(第4版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[11]楊曉光. 數據庫原理及應用技術教程[M]. 北京：清華大學出版社，2014.

[12]侯妙樂，吳育華，胡云崗等. 石質文物三維信息留取技術及應用[M]. 北京：大地出版社，2015.

Design and Implementation of the Management System for the Digital Engineering Data of the Cave Temple

Wei Zaicheng，Hu Yungang，Hou Miaole

(School of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Key words：cultural relics of the cave temple；3D laser scanning technology；data management

Abstract：A large number of data are obtained in the digital engineering of the cave temple， including point clouds data， 3D models， texture data and all kinds of maps， etc. Aiming at the management of these data， a hybrid management mode based on file and database is proposed， and a widely applicable management system for the digital engineering data of the cave temple is designed and further realized. This system has been applied in the BaoDing FoWan stone carving digital engineering. The practice results show that， the digital engineering data of the cave temple can be managed effectively by using the hybrid management mode of file and database， at the same time， the application of the system can improve the query and use of the data efficiently.

文章編號：1672-8262(2016)03-15-05

中圖分類號：P208.1

文獻標識碼：A

*收稿日期：2016—02—01

作者簡介：位再成(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為文化遺產數字化保護。 通訊作者：胡云崗(1975—)，男，博士，副教授，主要從事基礎地理數據處理與更新及測繪科學技術在文物保護與考古方面的應用與研究。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(2012CB725300)